仿生格栅增强蜂窝夹芯结构的设计、制造与分析

摘要

复合材料蜂窝夹芯结构和复合材料格栅夹芯结构同属于仿生结构，在航空航天、运载及土木等多个工程领域均有广泛应用。目前各种工程结构的服役环境日趋极端化，结构功能多样化需求也日益提升，这些都对结构性能和可靠性提出了更高的要求。为此，本论文首先以树叶组织的叶脉-夹层结构为原型，提出格栅增强蜂窝夹芯结构这一新构型。并基于均匀化理论，分析格栅增强蜂窝夹芯结构的刚度和比刚度等参数，对格栅增强蜂窝夹芯结构进行初步设计。针对该结构制备过程中的多界面粘接问题，本论文首先采用Kevlar短纤维进行多界面增韧并对其增韧效果及机理进行研究;其次通过三点弯曲实验和面内压缩实验对该结构的力学性能进行测量和表征;最后对该结构在三点弯曲和面内压缩载荷下的力学行为进行数值分析，在实验校验的基础上，对关键设计参数进行参数化讨论分析。该项研究内容是工业装备结构分析国家重点实验室自主研究课题“具有格栅加筋铝蜂窝夹芯复合材料结构界面破坏和增韧机理”（S13205，2013-2015年）和国家自然科学基金青年项目“金属泡沫夹芯复合材料及结构的破坏机理和增韧研究”（11102032，2012年-2014年）的重要研究内容之一。本论文的主要研究内容如下:
　　1.格栅增强蜂窝夹芯结构的多界面增韧方法研究
　　格栅增强蜂窝夹芯结构可以在保留蜂窝隔音、隔热和抗震等功能的同时，有效地提升结构的弯曲性能和压缩性能。但由于原本的面-芯单一界面问题转化为面-芯-芯多界面问题，加剧了整个结构的界面问题的复杂性。为了保证格栅增强蜂窝夹芯结构的性能优势，必须提高其界面性能，确保界面不会失效。作者首先在宏观尺度下验证了Kevlar短纤维界面增韧法对碳纤维铝蜂窝夹芯结构的增韧效果;之后将Kevlar短纤维增韧方法由碳纤维铝蜂窝夹芯结构的碳纤维-铝蜂窝单一界面推广到格栅增强蜂窝夹芯结构的碳纤维面板-铝蜂窝界面、碳纤维面板-铝格栅界面和铝格栅-铝蜂窝界面，进行多界面增韧。同时，采用扫描电镜和光镜等观察手段，对界面进行微观观测，发现短纤维界面增韧可形成纤维桥联结构，并在连接区域形成“圆角”增强结构，揭示了Kevlar短纤维的界面增韧机理。
　　2.格栅增强蜂窝夹芯结构力学性能的实验研究
　　为研究格栅增强蜂窝夹芯结构的力学性能，作者对格栅增强蜂窝夹芯结构、传统铝蜂窝夹芯结构和格栅夹芯结构开展了三点弯曲实验和面内压缩实验研究，通过实验结果分析，比较了三类结构的极限载荷、结构破坏模式、临界破坏载荷、能量吸收性能、比刚度等力学参数。三点弯曲实验显示，格栅增强铝蜂窝夹芯结构的平均极限载荷、平均能量吸收性能和比刚度远高于传统铝蜂窝夹芯结构或铝格栅夹芯结构。面内压缩实验显示，相比于传统铝蜂窝夹芯结构，格栅增强铝蜂窝夹芯结构在面内压缩载荷作用下，平均极限载荷和比刚度大幅升高，但平均能量吸收性能提高幅度不明显;相比于格栅夹芯结构，格栅增强铝蜂窝夹芯结构平均极限载荷、平均能量吸收性能和比刚度均得到大幅升高。
　　3.格栅增强蜂窝夹芯结构的数值分析研究
　　格栅增强蜂窝夹芯结构既具有优良的力学性能，同时也可满足多功能要求，因此是一种很有应用前景的新型夹芯结构。为更好的指导结构设计，分析各设计参数对结构性能的影响，作者建立了格栅增强蜂窝夹芯结构的数值分析模型。通过与实验结果进行对比，验证了该数值分析模型的有效性和准确性。之后，采用此模型，对格栅增强铝蜂窝夹芯结构进行参数化讨论。结果显示，对于格栅增强铝蜂窝夹芯结构，改变芯体高度对整体结构载荷响应值的影响最为明显，改变面板厚度次之，而改变蜂窝单胞壁厚的影响最小。
　　4.格栅在其他结构中的增强效应研究
　　为进一步研究和揭示格栅芯体对结构力学性能的增强作用，使用格栅分别对典型复合材料圆锥壳体结构进行增强。考虑格栅的非均匀分布效应，提出非线性刚度模型，对复合材料格栅圆锥壳体的稳定性解析算法进行修正。结果显示格栅能够明显提高圆锥壳体结构的临界失稳载荷，且当环境温度在-50～150℃区间时，具有格栅增强的复合材料圆锥壳体的失稳载荷具有很好的温度鲁棒性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 夹芯结构构型设计的研究进展

1．2．1 面板的材料选取和参数设计

1．2．2 芯体的材料选取和构型设计

1．3 复合材料夹芯结构制备方法的研究进展

1．3．1 复合材料夹芯结构成型方法的研究进展

1．3．2 复合材料夹芯结构界面增韧方法的研究进展

1．4 复合材料夹芯结构性能分析及表征的研究进展

1．4．1 复合材料夹芯结构性能的实验研究进展

1．4．2 复合材料夹芯结构分析方法的研究进展

1．5 本文主要研究内容

2 基于生物启发的格栅增强蜂窝夹芯结构设计

2．1 前言

2．2 格栅增强蜂窝夹芯结构的构型设计

2．3 格栅增强蜂窝夹芯结构的效率分析

2．3．1 理想条件下结构刚度分析

2．3．2 理想条件下结构比刚度分析

2．4 格栅增强蜂窝夹芯结构的失效分析

2．5 小节

3 格栅增强蜂窝夹芯结构的多界面增韧方法

3．1 前言

3．2 碳纤维铝蜂窝夹芯结构的短纤维增韧方法

3．2．1 Kevlar短纤维薄膜制备

3．2．2 实验材料与制备工艺

3．3 具有短纤维增韧的碳纤维铝蜂窝夹芯结构力学行为研究

3．3．1 短纤维增韧碳纤维铝蜂窝夹芯结构的三点弯曲实验

3．3．2 短纤维增韧碳纤维铝蜂窝夹芯结构的面内压缩实验

3．3．3 断面观测与讨论

3．4 格栅增强铝蜂窝夹芯结构的多界面增韧

3．4．1 具有多界面增韧的夹芯结构制备

3．4．2 多界面增韧微观观测

3．4．3 多界面增韧机理分析

3．5 小结

4 格栅增强蜂窝夹芯结构的三点弯曲实验研究

4．1 前言

4．2 试件尺寸和设计

4．3 实验装置和方法

4．4 位移-载荷曲线与破坏模式

4．5 不同芯体的夹芯结构弯曲性能的对比

4．5．1 与碳纤维铝蜂窝夹芯结构对比

4．5．2 与格栅夹芯试件对比

4．5．3 三种夹芯结构的对比

4．6 小结

5 格栅增强蜂窝夹芯结构的面内压缩实验研究

5．1 前言

5．2 试件尺寸和设计

5．3 实验装置和方法

5．4 位移-载荷曲线与破坏模式

5．5 不同芯体的夹芯结构面内压缩性能对比

5．5．1 与碳纤维铝蜂窝夹芯结构对比

5．5．2 与格栅夹芯结构对比

5．5．3 三种夹芯结构的对比

5．6 小结

6 格栅增强蜂窝夹芯结构的数值分析

6．1 前言

6．2 基本建模流程及材料参数

6．3 弯曲性能数值分析与参数讨论

6．3．1 有限元模型

6．3．2 结构刚度和变形

6．3．3 实验验证

6．3．4 弯曲刚度和比弯曲刚度

6．3．5 芯体高度对夹芯结构弯曲性能的影响

6．3．6 蜂窝壁厚对夹芯结构弯曲性能的影响

6．3．7 复合材料面板厚度对夹芯结构弯曲性能的影响

6．3．8 结果讨论与分析

6．4 压缩性能数值分析与参数讨论

6．4．1 有限元模型

6．4．2 实验验证

6．4．3 失稳模态

6．4．4 参数讨论与分析

6．5 格栅对其他结构的增强作用

6．5．1 格栅增强圆锥壳体稳定性的解析分析法

6．5．2 格栅结构对锥壳结构的增强效应

6．6 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介